2.6. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические преобразователи, используемые для измерений температуры, базируются главным образом на эффекте Зеебека. Суть его состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разных проводников, возникает термоЭДС, если на контактах проводников поддерживается различная температура. В простейшем случае цепь образуется двумя проводниками и называется термопарой. Этот случай является самым типичным в технике измерений температуры [17,18].

Для такой цепи, образованной проводниками А и В, возникает термоЭДС Е_АВ:

(2.16)

где Т₁, Т₂ – абсолютная температура в местах соединений проводников; σ_А, σ_В – коэффициенты Томпсона для проводников А и В. Предполагается, что Т₂>Т₁.

По знаку разности потенциалов, возникающих между каждой парой проводников, все проводники располагаются в определенной последовательности (ряд Вольта): Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, нейзильбер, латунь, Hg, Fe, сталь, Cu, Ag, Au, уголь, V, Pt, Pd. Каждый из проводников ряда является отрицательным по отношению к предыдущим в ряду и положительным – к последующим.

В общем случае термоЭДС термопары представляет собой разность ЭДС на ее концах, соответствующих температурам Т₁ и Т₂. При малых разностях температур Т₁ и Т₂ развиваемая ЭДС пропорциональна разности Т₁ – Т₂.

Таким образом,

(2.17)

Если на одном из концов термопары поддерживать постоянство температуры (Т₁=const), то Е_АВ(Т₂,Т₁)=f(Т₂). Место контакта термопары, располагаемое в зоне измеряемых температур, называют рабочим концом, а термостатируемый конец называют свободным. Если контактирование свободных концов термопары АВ осуществляется через третий проводник С, то в общем случае

(2.18)

где Т₁ – температура контакта А и С; Т₃ – С и В.

Если создать условия, при которых Т₁=Т₃, то Е_АВ=f(Т₂). Отсюда следует, что измеритель ЭДС, подключенный к свободным концам, должен иметь на клеммах Т₁=const. Аналогично термопарная замкнутая цепь инвариантна к произвольному числу проводников (закон Беккереля), если на их концах, кроме одного (измеряемого) поддерживается постоянство температуры. Отсюда следует также, что термопарные электроды можно замыкать через третий металл и в области измеряемых температур, лишь бы на концах третьего электрода поддерживалась постоянная температура (измеряемая). На этом принципе устроены так называемые штыковые термопары.

Отсюда следует также, что устройства, измеряющие термоЭДС, можно располагать на достаточном удалении от рабочего конца лишь бы температуры промежуточных стыков были одинаковы и соответствовали температуре свободных концов при градуировании термопары. Если же температура свободных концов при измерении отличается от температуры свободных концов при градуировании, то в измеренную термоЭДС необходимо вводить поправки. В соответствии с требованиями о международной практической температурной шкале (МПТШ) температура свободных концов термопары при градуировании должна быть 0°С.

Основные схемы соединения термопар приведены на рис. 2.25, на котором представлены наиболее часто реализуемые включения термопар и термобатарей.

В диапазоне температур минус 273…плюс 1100 °С (плюс 1300 кратковременно), как правило, используются термопары из неблагородных металлов и сплавов.

В диапазоне температур плюс 1100…плюс 1600°С (плюс 1800 кратковременно) используются термопары из благородных металлов и сплавов.

Для измерений температуры до плюс 3000°С (в нейтральной и восстановительной средах) используются термопары на основе тугоплавких металлов.

Вэкзотической для контактных измерений области до плюс 4000°С известны попытки использования термопар на основе графита, карбидов, нитридов, силицидов и боридов.

Ко всем используемым в практической термометрии термоэлектродным материалам предъявляются общие требования – достаточной для практических целей чувствительности, стабильности и воспроизводимости свойств на метрологическом уровне, достаточной гомогенности материала. Термопары, наиболее полноотвечающие этим требованиям, стандартизированы. Рассмотрим такие термопары в последовательности повышения измеряемой ими границы температуры.

Термопара медь-константан (МК). Главное применение – в области низких температур минус 270…0°С. В этих термопарах обязательно использование специального термопарного константана (Ni 42 % + Cu 58 %).

При температуре минус 270°С имеет чувствительность – 0,9 мкВ/К, в тройной точке водорода [19] (давление – 7200 Па, температура – минус 259,2°С) – 4,96 мкВ/К, в тройной точке азота (давление – 12532 Па, температура – минус 210°С) – 15,7 мкВ/К, в тройной точке кислорода (давление – 146,7 Па, температура – минус 218,798°С)– 17,4 мкВ/К.

Зависимость ЭДС термопары МК приведена в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Зависимости термоЭДС термопар от температуры

Т,°С	ТермоЭДС*, мВ
	МК	ХА	ХК	ЖК	НХК-НКМ	Пр10/0	Пр30/6
–270	–6,03
–260	–5,96
–200	–5,41
–150	–4,49
–100	–3,27			–4,63
–50	–1,76	–1,89	–3,11	–2,43
0	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,000
100	4,27	4,09	6,90	5,27	3,41	0,644
200	9,29	8,14	14,57	10,78	6,88	1,436
300	14,86	12,21	22,90	16,33	10,47	2,314	0,443
400	20,82	16,39	31,48	21,85	14,23	3,250	0,808
500	26,19	20,64	40,27	27,39	18,07	4,216	1,274
600	32,56	24,90	49,10	33,11	21,92	5,128	1,830
700		29,13	57,82	39,15	25,78	6,253	2,476
800		33,28	66,42	45,53	29,56	7,317	3,208
900		37,32			33,28	8,416	4,025
1000		41,27			36,91	9,550	4,916
1100		45,11			40,46	10,714	5,878
1200		48,82			43,88	11,904	6,904
1300		52,40			44,17	13,107	7,982
1400						14,315	9,106
1500						15,511	10,429
1600						16,685	11,429
1700							12,603
1800							13,778

Примечание: *–термопары работоспособны только в указанных диапазонах температур.

Термопара хромель-алюмель (ХА). Термопара наиболее массового использования. Имеет температурную зависимость термоЭДС, близкую к линейной (табл. 2.4). Оба электрода на базе никеля. Положительный термоэлектрод хромель (89 % Ni + 9,8 % Cr + 1 % Fe + 0,2 % Mn), алюмель (94 % Ni + 2,0 % Al + 2,5 % Mn + 1 % Si + 0,5 % Fe). Термопара устойчива работает в окислительной среде до температуры плюс 1100°С длительно и до плюс 1300°С кратковременно. Температура плавления хромеля плюс  1435°С, алюмеля – плюс 1440 °С.

Термопара хромель-копель (ХК). Копель (55 % Cu + 44 % Ni + 1 % Mn). Одна из самых высокочувствительных термопар. Уступает термопаре ХА по линейности и верхнему температурному пределу (плюс 600°С–длительно, плюс 800°С – кратковременно). Температура плавления копеля плюс 1290°С. Зависимость термоЭДС приведена в табл.–2.4.

Термопары ХА и ХК разработаны в виде кабельных конструктивов типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Первые два типа – с термоэлектродами ХК в стальной оболочке. Диаметр термопарного кабеля от 1 до 6 мм. Длина от 10 до 50 м.

Имеются модификации микротермопар – с электродами, защищенными капилляром из коррозионно-стойкой стали. Термоэлектроды имеют двухслойное изоляционное покрытие. Диаметр капилляра до 0,3 мм. Длина до 10 м.

Существует большое число нестандартных термоэлектродных материалов из неблагородных металлов. Наиболее широкое применение получили:

Термопара железо-константан (ЖК) (табл. 2.4).

Термопара НХК-НКМ. Положительный термоэлектрод 88 % Ni + 10 % Cr + 2 % Si. Отрицательный – 97 % Ni + 3 % Si (табл. 2.4).

Рассмотрим наиболее широко используемые термопары из благородных металлов.

Термопара платинародий–платина. Положительный платиновый электрод обычно легируется родием (температура плавления плюс 1970°С). Термопара работоспособна во всех средах, кроме восстановительной.

Широко используются термопары с легированием родием и положительного, и отрицательного электродов. В этом случае в положительном электроде процент родия должен преобладать над концентрацией родия в отрицательном электроде.

Приведем зависимость термоЭДС термопар Pt + 10 % Rh – Pt (Пр10/0) и Pt + 30 % Rh – Pt + 6 % Rh (Пр30/6) (табл. 2.4).

Более высокий температурный предел (плюс 1850°С) имеет термопара Пр40/20. В термопарах с большим содержанием родия в электродах практически не требуются поправки на температуру свободных концов, если эта температура находится в пределах 0… плюс  50 °С.

Из других благородных металлов в термопарах используется иридий (также металл платиновой группы). Обычно в положительном электроде используется сплав 50 % Ir + 50 % Rh, а в отрицательном электроде – чистый иридий (Ир50/0). Эта термопара работоспособна в окислительной среде до плюс 2200°С, однако срок работы ограничивается несколькими десятками часов. Воспроизводимость у иридий-родиевых термопар ниже, чем у платино-родиевых.

Термопары на основе тугоплавких металлов. В этих термопарах используют термоэлектроды из вольфрама и молибдена. Вольфрам имеет температуру плавления около плюс 3410°С, а молибден – около плюс 2620°С. Оба этих металла легко окисляются при высоких температурах. Поэтому термопары из этих металлов предназначаются для работы в нейтральных и восстановительных средах, а также в вакууме. Вольфрам хрупок, молибден достаточно пластичен.

Известны варианты использования вольфрама с молибденом в сочетании с различными присадками (Al, Fe, Si, Mn и др.), которые улучшают пластичность термоэлектродов и существенно меняют зависимость термоЭДС от температуры.

В отечественной практике получила применение термопара ЦНИИЧМ–1. Ее положительный электрод – чистый вольфрам, а отрицательный – молибден с присадкой 0,5 % Al. Оба термоэлектрода изготавливались методами порошковой металлургии и горячего волочения. Эта термопара могла кратковременно работать в воздушной среде (10…15 мин до плюс 2500°С) и длительно (сотни часов) в вакууме 10^‑3…10^-5 мм рт.ст., нейтральных средах и инертных газах. Зависимость термоЭДС термопары ЦНИИЧМ–1 приведена в табл. 2.5.

Таблица 2.5

ТермоЭДС термопары ЦНИИЧМ–1

Т, °С	ТермоЭДС, мВ
	ЦНИИЧМ–1	Вр5/20	Вр10/20
100	0,02	1,33	1,00
300	0,68	4,52	3,20
500	1,85	7,91	5,40
1000	6,40	16,15	10,70
1100	7,45	17,69	11,70
1200	8,50	19,17	12,65
1300	9,55	20,60	13,60
1400	10,60	21,99	14,50
1500	11,65	23,33	15,35
1600	12,70	24,62	16,15
1700	13,75	28,85	16,90
1800	14,80	27,03	17,60
1900	15,85	28,15	18,25
2000	16,90	29,21	18,90
2100	17,95	30,22	19,55
2200	19,00	31,17	20,15
2300	20,05	32,06	20,75
2400	–	32,89	21,30
2500	–	33,67	21,85

Новые возможности получила высокотемпературная термометрия при сочетании вольфрама с рением. Добавка рения в вольфрам существенно повысила пластичность вольфрамовой проволоки. Температура плавления рения плюс 3410°С. В табл. 2.5 приведены зависимости термоЭДС для термопар Вр5/20 (95% W + 5% Re и 80% W + 20% Re) и Вр10/20. Термопары Вр5/20 и Вр10/20 предложены С.К. Данишевским. Следует иметь в виду, что термопары этого типа имеют три группы градуировки.

С целью удаления свободных концов термопар от мест со значительными изменениями температуры применяют удлинительные (компенсационные) провода. Применяются два типа удлинительных проводов – поэлектродной компенсации термоЭДС и суммарной компенсации.

Удлинительные провода поэлектродной компенсации ТЭДС составляют из проводников, каждый из которых в паре с одним из термоэлектродов не развивает термоЭДС в определенном интервале температур.

Удлинительные провода суммарной компенсации должны развивать термоЭДС, равную термоЭДС компенсируемой термопары в диапазоне температуры свободных концов. При этом должно соблюдаться равенство температуры мест подсоединения удлинительных проводов к свободным концам. Предполагается очевидным соблюдение полярности подключения соединительных проводов (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Таблица соответствий термоэлектродов и термокомпенсационных проводов

Тип термопары	Компенсационный провод		ТермоЭДС (мВ) при 100°С, t0=0	Сопротивление 1 м (Ом) для сечения
	положительный	отрицательный		1 мм2	2 мм2
МК	Медь	Константан	4,1±0,16	0,52	0,21
ХА	Медь	Константан	4,1±0,16	0,52	0,21
ХК	Хромель	Копель	6,95±0,2	1,15	0,46
ЖК	Железо	Константан	5,57	0,60	0,24
Пр10/0	Медь	99,4 % Cu + 0,6 % Ni	0,64±0,03	0,05	0,02
Пр30/6	Медь	Медь	–	0,05	0,02
ЦНИИЧМ–1	Медь	Медь	–	0,05	0,02
Вр5/20	Медь	97,6 % Cu+2,4 %Ni	1,33±0,03	0,20	0,08
Вр10/20	Медь	98,8 % Cu+1,2 %Ni	0,97±0,02	0,10	0,04